粉煤灰-煤矸石纖維增強(qiáng)劑的合成及增強(qiáng)纖維對紙張性能的影響.pdf

1、粉煤灰/煤矸石纖維是燃煤廢棄物粉煤灰和采煤過程中排放的固體廢棄物煤矸石經(jīng)高溫熔化、噴絲，冷卻等工序所制成得一種無機(jī)纖維。該纖維具有良好的無機(jī)纖維特性，目前在防火保溫材料中得到了廣泛的應(yīng)用；因其與植物纖維有相似之處，可將其應(yīng)用于造紙工業(yè)中，但由于粉煤灰/煤矸石纖維所具有的剛性強(qiáng)、脆性大等缺點，使得生產(chǎn)出來的紙張性能有所降低。本課題基于上述問題，研究了一種增強(qiáng)劑，包覆于粉煤灰/煤矸石纖維表面，增強(qiáng)纖維的韌性和彈性，使其在與植物纖維進(jìn)行配抄所

2、生產(chǎn)的紙張的相關(guān)性能有所提高。本論文主要研究工作有以下幾個方面：
　?。?）單因素變量法探索粉煤灰/煤矸石纖維增強(qiáng)劑的合成工藝
　　以淀粉作為主要原料，硫酸亞鐵(FeSO4）為催化劑，雙氧水(H2O2）、亞硫酸氫鈉(NaHSO3）為引發(fā)劑，苯乙烯(St）、丙烯酸丁脂(BA）等為單體，通過乳液聚合的方法合成一種粉煤灰/煤矸石纖維增強(qiáng)劑，對粉煤灰/煤矸石纖維表面進(jìn)行增強(qiáng)改性，改變其剛性強(qiáng)、脆性大、易斷裂的缺點。以增強(qiáng)后粉煤灰/煤

3、矸石纖維的研磨過篩率為考察指標(biāo)，采用單因素變量法，研究了淀粉、FeSO4、H2O2、引發(fā)劑配比、單體配比用量對增強(qiáng)劑性能的影響。得出合成粉煤灰/煤矸石纖維增強(qiáng)劑較優(yōu)工藝為：淀粉為10.0 g， FeSO4為0.02 g，氧化降解 H2O2為2.5 g，引發(fā)劑 H2O2/NaHSO3質(zhì)量比為5:1，單體 St/BA質(zhì)量比為13:7；通過紅外光譜(FT-IR）、乳液粒徑等分析方法對較優(yōu)條件下合成的增強(qiáng)劑進(jìn)行表征。結(jié)果表明：St、BA等已接枝

4、共聚到淀粉分子上，粉煤灰/煤矸石纖維增強(qiáng)劑成功合成；增強(qiáng)劑乳液分散性指數(shù)（PDI）為0.163，平均粒徑（Z-Average）為70.30 r.nm。將增強(qiáng)劑應(yīng)用于粉煤灰/煤矸石纖維增強(qiáng)工藝中，通過環(huán)境掃描電鏡、纖維過篩法、紙張物理性能等分析方法對增強(qiáng)后的纖維進(jìn)行評估。研究結(jié)果表明，纖維表面包覆一層增強(qiáng)劑；增強(qiáng)后粉煤灰/煤矸石纖維過篩率低于未增強(qiáng)粉煤灰/煤矸石纖維；在增強(qiáng)粉煤灰/煤矸石纖維添加量為30％的前提下的配抄紙，與純植物纖維所抄

5、紙張的物理性能相比較，紙張各項性能有所提高。
　?。?）響應(yīng)曲面法優(yōu)化粉煤灰/煤矸石纖維增強(qiáng)劑的制備工藝
　　在前期單因素探索的基礎(chǔ)上，我們發(fā)現(xiàn)引發(fā)劑 H2O2、St、FeSO4的用量對增強(qiáng)劑性能影響較大，因此采用響應(yīng)曲面法對粉煤灰/煤矸石纖維增強(qiáng)劑合成工藝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。以增強(qiáng)后纖維的研磨過篩率為考察指標(biāo)，分析了引發(fā)劑 H2O2、St、FeSO4的用量對增強(qiáng)劑性能的影響。研究結(jié)果表明，合成最佳用量：FeSO4為0.016

6、g，引發(fā)劑 H2O2為2.61 g， St為15.09 g；優(yōu)化后增強(qiáng)粉煤灰/煤矸石纖維過篩率的預(yù)測值為25.22%。采用最佳優(yōu)化工藝條件下合成的增強(qiáng)劑對粉煤灰/煤矸石纖維進(jìn)行增強(qiáng)改性，增強(qiáng)后粉煤灰/煤矸石纖維過篩率為25.57%，誤差較小，與預(yù)期值25.22%基本吻合。所以，該響應(yīng)面法所建立的模型可行，最佳優(yōu)化工藝可靠。通過 FT-IR、乳液粒徑等分析方法對最優(yōu)條件下合成的增強(qiáng)劑進(jìn)行表征。結(jié)果表明：粉煤灰/煤矸石纖維增強(qiáng)劑乳液被成功合

7、成；增強(qiáng)劑乳液 PDI及 Z-Average均小于單因素法所得的粒徑數(shù)據(jù)，說明響應(yīng)面優(yōu)化工藝所得的增強(qiáng)劑優(yōu)于單因素法。將增強(qiáng)劑應(yīng)用于粉煤灰/煤矸石纖維增強(qiáng)工藝中，通過環(huán)境掃描電鏡、纖維過篩法、紙張物理性能等分析方法對增強(qiáng)后的纖維進(jìn)行評估。研究結(jié)果表明：采用響應(yīng)曲面優(yōu)化工藝所增強(qiáng)的粉煤灰/煤矸石纖維，經(jīng)研磨過篩，過篩率小于單因素法所增強(qiáng)的粉煤灰/煤矸石纖維；在增強(qiáng)粉煤灰/煤矸石纖維添加量為30%的前提下進(jìn)行配抄紙實驗，紙張的各項物理性能不

8、僅優(yōu)于純植物纖維紙張的相關(guān)性能，而且相較于單因素法所配抄的紙張，相關(guān)物理性能更有所提高，進(jìn)一步說明響應(yīng)曲面的優(yōu)化工藝較為成功。
　?。?）粉煤灰/煤矸石纖維增強(qiáng)工藝的研究及增強(qiáng)纖維對紙張性能的影響
　　將最優(yōu)工藝條件下合成的增強(qiáng)劑用于粉煤灰/煤矸石纖維的增強(qiáng)工藝中，以增強(qiáng)后纖維的過篩率以及配抄紙張的物理性能為指標(biāo)，探索了增強(qiáng)劑用量、增強(qiáng)溫度、增強(qiáng)時間對增強(qiáng)效果的影響。結(jié)果表明，最佳增強(qiáng)條件：增強(qiáng)劑的濃度為2%，增強(qiáng)溫度為65